Теоретический расчет основных параметров горения и тушения пожаров газовых фонтанов

Именно такая, как на рис.2, зависимость скорости реакции горения от концентрации горючего компонента в исходной смеси предопределяет параболический вид зависимости её других параметров процесса горения от состава смеси: температуры самовоспламенения и минимальной энергии зажигания, концентрационных пределов распространения пламени. Вид параболы имеет также и зависимость нормальной скорости распространения пламени uн от концентрации горючего в смеси СГ. На рис. 3 приведены такие зависимости для случая горения воздушно-пропановой смеси при различных значениях начальной температуры.

Рисунок 3. Зависимость скорости распространения пламени от концентрации пропана в воздухе при начальной температуре 311 K (1); 644 K (2); 811 K (3)

Согласно описанным выше представлениям, максимальная скорость распространения пламени (uнмах) должна соответствовать стехиометрической концентрации горючего. Однако экспериментально найденные её значения несколько сдвинуты в сторону богатых по содержанию горючих смесей. С увеличением начальной температуры смеси скорость распространения пламени должна повышаться, что и наблюдается на практике. Например, для воздушной смеси паров бензина и керосина она имеет вид, приведенный на рис. 4.

Рисунок 4. Зависимость скорости распространения пламени от начальной температуры воздушной смеси паров бензина и керосина с воздухом

Для различных веществ uн зависит от их химической природы и колеблется в довольно широких пределах (табл. 1). Для большинства смесей углеводородных топлив с воздухом uн < 1 м/с. При введении в горючую смесь избыточного воздуха или азота температура горения заметно снижается.

Таблица 1.

Нормальная скорость распространения пламени для некоторых горючих смесей

Введение в горючую смесь инертных и нейтральных газов: азота N2, аргона Аr, диоксида углерода СО2 разбавляет ее и тем самым снижает как скорость реакции окисления, так и скорость распространения пламени. Это хорошо видно из зависимостей, приведённых на рис. 5.

При этом при определённой (флегматизирующей) концентрации разбавителей горение вообще прекращается. Наиболее сильное влияние оказывает введение хладонов, так как они обладают ещё и ингибирующим действием на реакцию горения.

Как видно из рис. 5, введение в горючую смесь хладона (114В2) в 4 – 10 раз эффективнее, чем нейтральных газов - разбавителей.

Рисунок 5. Влияние концентрации разбавителей и хладона 114В2 на скорость распространения пламени в пропано-воздушной смеси ( = 1.15)

Флегматизирующая способность газов - разбавителей зависит от их теплофизических свойств, и в частности, от их теплопроводности и теплоёмкости.

Диффузионное горение газов

В реальных условиях в тех случаях, когда газ или пары воспламеняются после начала их аварийного истечения, наблюдается диффузионное горение. Типичным и довольно распространенным примером является диффузионное горение газа при разрушении магистральных трубопроводов, на аварийной фонтанирующей морской или сухопутной скважине газового или газоконденсатного месторождения, на газоперерабатывающих заводах.

Рассмотрим особенности такого горения. Предположим, что горит фонтан природного газа, основным компонентом которого является метан. Горение происходит в диффузионном режиме и имеет ламинарный характер. Концентрационные пределы распространения пламени (КПРП) для метана составляют 5 - 15 % об. Изобразим структуру пламени и построим графические зависимости изменения концентрации метана и скорости реакции горения от расстояния до осевой фонтана (рис. 6).

Рисунок 6. Схема диффузионного ламинарного пламени газового фонтана (а), изменение концентрации горючего (б), скорости реакции горения (в) по фронту пламени.

Концентрация газа снижается от 100 % на осевой фонтана до значения верхнего концентрационного предела воспламенения и далее до НКПР на его периферии.

Горение газа будет происходить только в интервале концентраций от ВКПР до НКПР, т.е. в пределах концентрационной области его воспламенения. Скорость реакции горения (Т) будет равна нулю при концентрациях, выше ВКПР и ниже НКПР, и максимальной при . Таким образом, расстояние между ХНКПР и ХВКПР определяет ширину фронта диффузионного пламени:

фп = ХНКПР - ХВКПР. (3)

Ширина фронта для такого пламени имеет значения от 0.1 до 10 мм. Скорость реакции горения в этом случае определяется скоростью диффузии кислорода и по своей величине она примерно в 5104 раз меньше скорости горения в кинетическом режиме. Во столько же раз ниже теплонапряженность, т.е. скорость выделения теплоты в диффузионно горящем факеле.

Особенности горения газовых струй. Условия стабилизации пламени

Условия горения газовых фонтанов удобнее рассмотреть на примере газовых струй. В реальных условиях такие струи являются турбулентными. При воспламенении струи газа, вытекающей из скважины, образуется так называемый диффузионный факел, имеющий симметричную веретенообразную форму (рис. 6). Химические реакции горения идут в тонком поверхностном слое факела, который в первом приближении можно считать поверхностью, где концентрации топлива и окислителя обращаются в ноль, а диффузионные потоки топлива и окислителя к этой поверхности находятся в стехиометрическом соотношении. Диффузионный фронт горения имеет нулевую скорость распространения, поэтому самостоятельно удержаться на текущей вверх струе не может.